초음파

위키백과 ― 우리 모두의 백과사전.

초음파(超音波)는 인간이 들을 수 있는 가청 최대 한계 범위를 넘어서는 주파수를 갖는 주기적인 음압(音壓, Sound Pressure)을 의미한다. 비록, 이러한 한계값이 사람마다 다르지만, 건강한 젊은 사람의 경우 이 값은 약 25kilohertz (25,0000 hertz)이고 따라서 25kHz는 초음파를 설명하는 데 있어 유용한 하한(下限)이 된다.

초음파는 일반적으로 매개체(혹은 매질)를 관통시키거나 반향파(反向波,Reflection signature)의 측정 또는 집중된 에너지를 공급하는 등 여러분야에서 사용되고 있다. 반향파는 매개체의 내부 구조를 자세히 드러내는 데 사용될 수 있다. 가장 잘 알려진 응용은 자궁내 태아 사진을 만들어내는 소노그라피(en:sonography)에 사용되고 있으며, 이 외에도 광범위하게 사용되고 있다.

대략적인 초음파의 주파수 범위와 개략적인 용도

자궁 속 태아의 모습 (Brightness 모드 초음파 영상)

[편집] 초음파 청취 능력

인간이 들을 수 있는 최대 주파수 한계(약 20kHz)는 en:low-pass filter처럼 작용하는 중이(中耳,en:middle ear) 때문이다. 초음파가 두개골로 직접적으로 전달되거나 중이를 거치지 않고 달팽이관(en:cochlea)에 다다를 경우, 더 높은 주파수로 들릴 수 있게 된다. 이 영향은 초음파 청취(en:ultrasonic hearing)를 참조하도록 한다. 조심스럽게 설계된 과학적 연구를 통해 무의식 중에 듣더라도 고주파음이 인간 정신에 영향을 줄 수 있다는 초고주파 효과(en:hypersonic effect)가 확인 되었다.

음향 심리학(en:psychoacoustics)에서, 어린이들은 나이든 성인들이 듣지 못하는 높은 음을 들을 수있는데, 이는 인간이 들을 수 있는 상한치가 나이가 들어감에 따라 낮아지기 때문이다. 한 휴대폰 회사는 이를 이용해서 젊은 사람만이 들을 수 있는 전화벨을 만들었는데, 상대적으로 많은 나이든 사람들이 들을 수 있다고 주장된 것을 보면 나이와 연관된 퇴화의 정도가 상당히 유동적임을 알수 있다. 개, 고양이, 돌고래, 박쥐, 그리고 쥐와 같은 몇몇 동물들은 사람보다 더 높은 가청범위를 가지고 있으며 따라서 초음파도 들을 수 있다.

[편집] 진단 초음파

의료 초음파는 근육, 힘줄, 그리고 많은 내부 장기들, 이들의 크기, 구조와 병리학적 손상을 실시간으로 단층 영상으로 가시화하여 초음파에 기반한 진단 의료 영상(en:medical image 기술이다. 이는 주기적 또는 응급 상황에서 태아를 가시화하는 데도 사용된다. 초음파를 이용한 진단은 소노그라퍼(en:sonographer라고 불리는 의료 전문가에 의해 수행된다. 산과용 초음파( Obstetric sonography)는 일반적으로 임신기간 동안에만 사용된다. 초음파는 적어도 50년 동안 인간의 몸속을 영상화하는 데 사용되었다. 이는 현대 의학에서 가장 널리 사용되는 진단 기술 중 하나이다. 이 기술은 상대적으로 저렴하고 이동이 용이하며, 특히 자기공명장치(MRI)와 en:computed tomography(CT)와 같은 의료장비와 비교했을 때 더욱 그렇다.

현재 의료 환경에 적용되는 데 있어서는 초음파가 환자에 주는 위험이 없다고 알려져 있다. 초음파진단은 일반적으로 "안전한 테스트"로 묘사되곤 하는데, 암 발병이나 유전자 파괴와 같은 위험을 야기하는 이온 방출(Ionizing radiation)을 이용하지 않기 때문이다.

그러나, 초음파 에너지는 두 가지 잠재적인 생리학적 영향을 줄 수 있다: 하나는 염증 반응을 증대시킬 수 있고, 이로 인해 연부조직을 가열시킬 수 있다. 초음파 에너지는 연부조직을 통해 기계적 압력파를 생성시킨다. 이 압력파는 이온 흐름과 조직내 활동에 영향을 줘 살아있는 조직에 극소 기포(Microscopic bubble) 발생과 세포조직의 왜곡을 일으킬 수 있다.

초음파가 인체에 들어갈 때, 분자 간 마찰을 발생시키고 조직을 약간 가열 시킬 수 있다. 이 영향은 정상 조직에 방사되어 열을 분산시킬 경우에는 미미하다. 큰 강도일 경우, 공동화(케비테이션)라 불리는 현상으로 인해 인체의 수액 또는 조직을 확장 및 수축시켜 작은 가스 주머니를 만든다(이는 현대의 진단용 초음파 장비를 사용해서는 어느 강도에서 발생하는지는 알려지지 않았다). 인체 조직의 가열과 공동화로 인한 장기적인 영향은 알려지지 않았다. 임신한 포유류에 초음파 장비를 사용했을 때 동물 태아에 유해성을 지적하는 몇몇 연구가 있다.

2006년에 발표된 주목할 만한 연구에서는 초음파에 노출될 경우 쥐 태아의 뇌 성장에 영향을 줄 수 있다고 언급되었다. 뇌의 성장 동안 뇌 조직에 발생하는 부작용은 "정신 지체나 유아기 간질에서부터 난독증 진전, 자폐증 양상과 편집증적 정신분열증"과 같은 질환과 관련된다고 연구자들이 말했다.

쥐와 같은 동물에 대한 실험 결과와 인간에 대한 결과 사이에 연결고리가 있는지 판명되지는 않았다. 인간에 대한 진단 초음파 실험의 광범위한 임상 적용은 윤리적인 문제로 인해 수행되지 못하고 있다.

생물학적인 영향은 향후 확인될 것이며, 가용한 정보를 근거로 했을 때 의사들은 환자가 누리는 이익이 위험을 능가한다고 생각하고 있다. 산과용 초음파는 많은 조건들이 산모와 태아에게 유해한지를 확인하는 데 이용된다. 이러한 이유로 많은 건강관리 전문가들이 이러한 상황을 진단하지 않은 체로 두는 위험이 진단을 수행하는 위험보다 훨씬 크다고 생각하는 것이다. Cochrane review에 따르면, 조기 임신 기간(24주 이전)에 주기적인 초음파 진단이 임신 기간 판단, 다중 임신과 임상학적으로 알려지지 않은 태아 기형을 조기에 그리고, 한번에 발견하는 데 더 도움이 되는 것으로 나타났다.

초음파 진단은 임신기간 동안 산과 진료에 주기적으로 사용되는데, FDA는 비록 병원에서 같은 기술을 사용하기는 하지만 기념용 비디오 및 사진 기록을 위해 사용하는 것을 금지하고 있다.

임신기간 확인
태아의 생육 상태
태아 위치 확인, 자궁내인지 외부인지
자궁 경상부에 관련한 태반 위치의 확인
배아의 수 확인 (다중 임신여부 확인)
주요 신체적 이상 유무 확인
태아의 성장 판단
태아의 움직임과 심장박동 확인
태아의 성별 판단

[편집] 생의학적 초음파 응용

[편집] 산업용 초음파

초음파 검사는 일반적으로 재료 속의 결함을 찾거나 또는 물체의 두께를 측정하는 데 사용되는 비파괴 검사의 한 종류이다. 2~10 MHz의 주파수가 일반적인데, 특별한 경우 다른 주파수 범위도 사용된다. 수동 또는 자동화된 검사는 현대 생산 공정에서 필수적인 요소이다. 대부분의 금속뿐아니라 플라스틱과 우주항공용 복합체들도 검사에 적용될 수 있다. 낮은 주파수의 초음파 (50kHz~500kHz)는 나무, 콘크리트와 시멘트 같은 밀도가 낮은 물질의 검사에 사용된다. 초음파는 이외에도 액체에 열을 전달하는 데도 사용될 수 있다. 연구자들은 최근 에탄올 생산을 향상하기 위해 옥수수 가공 공정 초음파를 도입하기도 했다.

[편집] 초음파 세척

때때로, 초음속(en:supersonic)세척기로 잘못 불리는 초음파 세척기는 보석, 렌즈 그리고 다른 광학 부품, 시계, 치과용기구, 수술용기구와 산업용 부품에 20~40kHz의 주파수를 이용한다. 초음파 세척기는 오염된 표면 근처에서 수 백만 개의 미세 공동(en:cavitation)의 붕괴로 부터 발생되는 에너지에 의해 동작한다. 공동 붕괴에 의해 형성되는 기포가 생성하는 작은 기류 표면으로 향한다. 가정용 초음파 세척기는 약 미화 60달러 정도이다.

[편집] 초음파와 동물

[편집] 박쥐

박쥐는 먹이를 찾아내기 위해 다양한 초음파 탐지 기술을 사용한다. 비록 최대 한계 주파수에 대한 논쟁이 있긴 하지만, 100kHz까지 높은 주파수를 감지할 수 있다.

[편집] 개

개는 인간이 들을 수 있는 것보다 높은 주파수의 소리를 들을 수 있다. 개 훈련 휘파람은 개를 부르기 위해서 높은 주파수를 발산하는데, 바로 이런 특성을 이용한 것이다. 대부분의 이런 훈련 휘파람은 높은 가청 주파수 범위에 있으나 무음 휘파람(Silent Whistle)은 18kHz~22kHz 범위의 초음파 주파수를 발생시킨다.

[편집] 돌고래와 고래

일부 고래는 초음파를 들을 수 있을 뿐아니라 그들만의 소나(sonar) 시스템을 가지고 있는 것으로 잘 알려져 있다. 일부 고래는 사냥 도구(사냥감의 탐지 및 공격을 위해)로 사용한다.

[편집] 물고기

몇몇 물고기들은 초음파를 감지할 수 있다. en:Clupeiformes 목(目)과 Alosinae (shad)의 아족(亞族)류들은 180kHz까지 탐지할 수 있고, 반면에 다른 아족들은 (예로, en: herrings)들은 4kHz까지만 들을 수 있다.

[편집] 나방

박쥐가 발산시키는 범위의 초음파가 나방이 회피 기동하도록 만든다는 증거가 있다. 초음파영역의 주파수는 밤나방이 공격을 피하도록 자신의 비행 방향을 몇 인치 낮추도록 반응시킨다.

[편집] 곤충 및 설치류

초음파 발생기/스피커 시스템은 설치류나 곤충이 접근하지 못하도록 만든다고 한다.그러나 이들이 그런 기능을 한다는 과학적 증거는 없다. Kansas 주립대에 의해 수행된 연구에서 일부 제품에서 긍정적인 반응을 보여주었다. 긍정적인 반응은 지속적으로 주파수를 변조하는 일부 장치로 한정된다. 그러나, 사용된 주파수는 어린이들이 들을 수 있고, 두통을 유발 시킬 수 있다고 한다.

[편집] 모기

인간이 들을 수 없는 특정 주파수의 초음파가 모기를 쫓아낼 수 있다고 한다. 해충을 쫓아낼 수 있다고 주장되는 컴퓨터 프로그램이 인터넷에 퍼져 있다.

[편집] 초음파화학

20~100kHz 범위의 초음파는 화학에 응용된다. 초음파는 화학적 변화를 유도하기위해 분자와 직접적인 상호작용을 하지 않는데, 초음파의 파장(밀리미터 범위)이 분자에 비교해서 너무 길기 때문이다. 이를 대신해서:

반응이 일어나는 액체 내에서 온도와 압력의 지엽적 극한 상태를 만드는 케비테이션을 야기시킨다.
고체를 파괴시키고 반응이 쉽게 이루어질 수 있도록 더 넓은 표면을 제공하기 위해 불활성(en: inert) 물질의 부동태(en: passivating) 층을 제거한다.

[편집] 초음파 붕괴

일부 초음파는 박테리아를 포함하는 생물학적 조직을 파괴시킬 수 있다. 이는 생물학과 하수구의 박테리아를 제거하는 데 사용된다. 20kHz대역의 고출력 초음파는 분자의 붕괴를 촉진시키는 케비테이션을 만들어낸다. 아이오와 주립대의 Dr. Samir Khanal은 건조 옥수수 공장에서 높은 에탄올 수율을 위해 옥수수 Slurry를 붕괴시켜 액화(液化)와 당화(糖化)를 향상시키기 위해 고출력 초음파를 사용했다.

예를 보면:

폐기된 활성화 침전물 의 초음파 전처리
에탄올 수율 증대를 위해 건조 옥수수 공장에서 초음파의 도입
초음파 붕괴를 통해 무기 침전물 제거 향상

[편집] 초음파 거리 탐사

초음파 센서를 이용한 거리 측정

대상 물체까지의 거리 : L [m]
측정된 시간 : T [s]
음속 : V [m/s]
기온 : t [C]
L = ( T＊V) [m] 
here) V = 331.5+06＊t [m/s]

대상 물체까지의 거리는 초음파 센서와 측정 대상 물체까지의 거리이고, 측정된 시간은 초음파가 대상 물체에서 반사되어 돌아오는 시간을 말한다.

[편집] 기타 이용

[편집] 비선형 전파 영향

[편집] 다른 항목들

이 글은 과학에 관한 토막글입니다. 서로의 지식을 모아 알차게 문서를 완성해 갑시다.

초음파